嵌入式系统嵌入式系统设计方法 2006年 4月21日主要内容 n

嵌入式系统 — 嵌入式系统设计方法 2006年 4月21日

主要内容 n 嵌入式系统面临的挑战 n 嵌入式系统的设计 n 嵌入式系统软硬件协同设计 n 嵌入式系统节能设计

IEEE/ACM 课程大纲关于计算机学科主领域的划分 CC 1991（9＋2个主领域） CC 2001（14个主领域）离散数学（预备知识）离散结构（DS）程序设计语言引论程序设计基础（PF）算法与数据结构算法与复杂性（AL）计算机系统结构（AR）操作系统程序设计语言人－机通信操作系统（OS）网络计算（NC）程序设计语言（PL）人机交互（HC）图形学和可视化计算（GV）人智能与机器人学智能系统（IS）数据库与信息检索信息管理（IM）软件方法学与程软件程（SE）社会、道德和职业的问题社会和职业的问题（SP）数值与符号计算科学计算（SC）

嵌入式系统 n 嵌入式系统: 以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗诸方面严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统特点： n n n n 软件硬件协同并行开发多种多样的微处理器实时操作系统的多样性 (RTOS) 与台式机相比，可利用系统资源不足应用支持很少要求特殊的开发具调试很困难软件硬件的鲁棒性（健壮性，Robust）

嵌入式系统要解决的主要问题 n 需要用什么样的系统结构来实现？ n 如何满足时限要求，如何处理多项功能在时间上的协调一致关系？ n 如何保证系统可靠地作？ n 如何满足系统接口要求，嵌入式应用直接和系统接口输入输出信息？ n 如何降低系统的功耗？ n 如何使系统可升级？

嵌入式系统设计的挑战性问题 n 软硬件协同设计 n 功耗的优化设计 n 嵌入式操作系统 n 开发环境 n 成本和开发周期 n 代码优化 n 高效的输入和输出 n 测试环境

嵌入式系统软件技术面临的几大问题 n n n 嵌入式软件全生命周期开发具链硬件与软件的Co-Design: Verilog + C = ? 驱动程序的设计和生成技术（嵌入式软件开发中最令人头疼的问题）嵌入式软件的可靠性问题: 正确性验证技术、测试技术、调试技术等（可靠性问题是嵌入式软件开发的基本问题）可重构计算（Reconfigurable Computing）技术可构件化的嵌入式实时操作系统及其开发环境

嵌入式系统的设计设计：问题：嵌入式系统选择折衷分析比较计算评价功能、性能要求价格、开发周期等约束方法具

设计流程—自顶向下或自底向上设计需求设计说明自顶向下设计体系结构构件设计系统集成自底向上设计

需求分析 n n n 作用 n 使用户和设计者有效交流、沟通，明确设计目标 n 设计者－设计什么？有哪些要求？ n 用户－将得到的系统是什么样的？目标 n 形成需求文档内容 n 功能性需求做什么？ n 输入, 输出, 功能，…… n 非功能性需求其他属性 n 可靠性，速度，功耗，…… n 成本, 大小, 重量, 设计时间， ……

评价标准 n n n n 正确性无二义性完整性可检验性一致性可修改性可追踪性

需求分析的描述 n 自然语言 n n n 需求说明书需求分析表形式化描述 n n 用例图等 DOORS

例：GPS移动地图的需求

规格说明 n 规格说明与需求的比较 n n n 目标 n n 需求的提炼是可用来创建体系结构的关于系统的更详尽、更精确、更一致的描述形成规格说明书内容 n 包含系统体系结构设计的足够信息

规格说明书的描述 n 自然语言 n 形式化描述 n n n UML RSML SDL

规格说明 n 需求的精确描述 n n 描述明确，可理解 UML (Unified Modeling Language) 统一建模语言是可视化的设计说明语言统一描述系统的硬件和软件 n n UML 可对系统的功能建模可自动产生实际设计的HDL 或C++ 代码

UML的应用 n I-Logix公司的Rhapsody系列产品 n 基于统一建模语言UML的可视化编程环境 n 把UML各类视图映射为具体目标机程序语言 n 用于复杂实时嵌入式应用软件从分析、设计一直到代码实现和软件测试的开发过程 n NASA的火星探路者航天器就是运用Rhapsody在 Vx. Works上开发应用程序。

系统结构设计 n n n 系统如何实现设计说明书描述的功能基于组件的系统结构软件/硬件划分 n n 嵌入式系统中软件和硬件协同完成系统的功能软件硬件划分通常由速度、灵活性以及开销来决策

嵌入式计算机系统基本结构应用软件嵌入式操作系统监控程序板级支持程序硬件单片机, X 86, Power. PC, ARM, MIPS, ……

嵌入式系统组成

系统结构设计

系统结构设计 n 作用 n n 目标 n n 实现系统的蓝图，系统整体结构的一个计划形成结构设计文档内容 n n 系统分析系统软硬件整体结构的设计软硬件划分标准构件和自行设计构件的确定

评价标准 n n n n 有弹性简单可实现层次清晰功能分布平衡平衡技术和经济约束满足功能需求和非功能需求可重用

系统结构的描述 n 非形式化方式 n n n 自然语言结构框图形式化方法 n UML建模

系统结构的设计过程及方法 n 结构化设计方法以算法为中心，从处理到处理的数据流 n n 从输入、输出入手，根据操作和数据流，形成比较粗的系统大框架；然后逐步细化框架内的每个部分，进一步确定内部模块的及模块之间的关系设计过程应该是逐步细化和逐步完善的过程面向对象的方法以类及交互模式为中心

系统软件结构的设计 n 结构化方法(SA/SD) n 面向对象的方法(OOA/OOD) n UML建模

结构设计的验证 n n n 结构设计的正确性非常关键 n 详细设计和实现的基础，对开发周期、成本有很大影响验证所关心的问题 n 结构设计是否满足功能、性能要求 n 能否实现验证方法 n 形式化方法 n 仿真 n 系统结构 n 软件结构 n 硬件结构 n 其他方法 n 如基于开发板的原型系统

系统引入错误和修改错误开销分布引入错误数目修改错误开销系统结构设计软硬件详细设计软硬件实现开发周期

软硬件的划分嵌入式系统的设计涉及硬件与软件部件，设计中必须决定什么功能由硬件实现，什么功能由软件实现。 n 硬件和软件具有双重性 n 软硬件变动对系统的决策造成影响 n 划分和选择需要考虑多种因素 n 硬件和软件的双重性是划分决策的前提

通常由软件实现的部分 n 操作系统功能任务调度 n 资源管理 n 设备驱动 n n 协议栈 n TCP／IP 应用软件框架 n 除基本系统、物理接口、基本逻辑电路，许多由硬件实现的功能都可以由软件实现。 n

双重性部分 n 算法 n n 编码／解码 n 压缩／解压 n n 加密／解密 …… 数学运算 n 浮点运算， FFT， …… n ……

标准构件和自行设计构件 n 构件的实现 n n n 选择标准自行设计标准构件＝？现成构件 n 已经产品化 n 形成规模生产 n 标准构件＋自行设计构件＝用户系统 n 构件包括了硬件构件和软件构件 n 构件本身可以是层次性的，可以由子构件组成

标准硬构件 n n 硬构件的形式： IC：集成电路 PCB：印刷电路板 IP：Intellectual Property n 标准 IC n n 标准 IP n n CPU核，…… 标准模块 n n n CPU, DSP, …… RAM, ROM, 接口控制器，…… ASIC, …… GPRS模块, GSM模块, 蓝牙模块, …… 显示模块，…… 标准计算平台 n 基于PC 104的嵌入式计算机 n 基于Compact PCI的嵌入式计算机 n SOC, ……

标准软构件 n n OS / RTOS 协议栈 n TCP/IP n 路由协议 n H. 323 n …… 图形开发包 n Vx. Works的ZINK n …… 驱动程序

自研硬构件 n 内容 n n 实现方式 n n n 逻辑电路，专用加速器，…… PCB： IC：PLD FPGA ASIC, …… EDA设计具 n 板级： n n n 原理图设计具 PCB设计具 IC n n 硬件描述语言: VHDL, Verilog 原理图描述具综合仿真具布线器, …………

自研软构件 BSP n 驱动程序 n 应用程序 n …… n

软硬件技术对系统结构的影响 n 硬软件设计的趋势——融合、渗透 n 硬件设计的软件化 n n n VHDL, Verilog HANDL-C 软件实现的硬件化 n n 各种算法的ASIC 对系统设计的影响——协同设计 n 增加灵活性 n 增加了风险

嵌入式系统设计者要求 n n n 懂得系统的整个构架详细了解硬件的细节软件设计满足： n n 实时要求低功耗代码量小详细了解领域知识

嵌入式系统软硬件协同设计

软硬件协同设计

软硬件协同设计 n 硬件设计具（EDA 具） n 系统级设计具 n n n 模拟电路系统仿真具 n n n Pspice EWB PCB设计具 n n Cadence的SPW System View Protel PADs 的Power PCB & Tool Kit Mentor的Expedition & Tool Kit 可编程逻辑器件设计具 n n n Mentor FPGA Advantage & Model. Sim Xilinx Foundation ISE & Tool Kit 各种综合和仿真第三方具

软硬件协同设计定义与主要概念 n 软硬件协同设计定义 n n The meeting of system-level objectives by exploiting the trade-offs between hardware and software in a system through their concurrent design 主要概念 n n Concurrent（并发）: hardware and software developed at the same time on parallel paths Integrated（一体化）: interaction between hardware and software developments to produce designs that meet performance criteria and functional specifications

嵌入式系统快速原型设计过程 REUSE DESIGN LIBRARIES AND DATABASE Primarily software VIRTUAL PROTOTYPE HW DESIGN SYSTEM DEF. FUNCTION DESIGN HW & SW CODESIGN HW & SW PART. Primarily hardware HW FAB INTEG. & TEST SW DESIGN HW & SW Partitioning & Codesign SW CODE

嵌入式系统快速原型开发的基本要素 n 系统定义（需求分析） n 软硬件划分 n 结构规划 – 处理器类型, 软硬件之间的接口类型, 等. n 划分目的 – 满足系统速度, 延迟, 体积, 成本等方面的要求. n n 划分策略 - high level partitioning by hand, automated partitioning using various techniques, etc. 调度 n n Instruction scheduling in compilers n n Operation scheduling in hardware Process scheduling in operating systems 软硬件设计过程中的建模

传统的嵌入式系统设计模型 DOD-STD-2167 A HWCI Testing HW Development Fabric. System Concepts Sys/HW Require. Analysis Sys/SW Require. Analysis Hardware Require. Analysis Prelim. Design Detailed Design System Integ. and test Software Require. Analysis SW Development Prelim. Design Detailed Design Coding, Unit test. , Integ. test CSCI Testing Operation. Testing and Eval.

传统的嵌入式系统设计过程 n n n 传统软硬件设计过程的基本特征: n 系统在一开始就被划分为软件和硬件两大部分 n 软件和硬件独立进行开发设计 n “Hardware first” approach often adopted 隐含的一些问题: n 软硬件之间的交互受到很大限制 n 软硬件之间的相互性能影响很难评估 n 系统集成相对滞后，NRE较大因此: n Poor quality designs（设计质量差） n Costly modifications（设计修改难） n Schedule slippages（研制周期不能有效保障）

传统设计过程中的尖锐矛盾随着设计复杂程度的提高，软硬件设计中的一些错误将使开发过程付出昂贵的代价 n “Hardware first” approach often compounds（混合） software cost because software must compensate for（补偿） hardware inadequacies（不充分） n

软硬件设计过程发展方向－协同设计 Integrated Modeling Substrate（一体化建模底层） HWCI Testing HW Development Fabric. System Concepts Sys/HW Require. Analysis Sys/SW Require. Analysis Hardware Require. Analysis Prelim. Design Detailed Design Integrated Modeling Substrate Software Require. Analysis Prelim. Design Detailed Design SW Development © IEEE 1991 Coding, Unit test. , Integ. test System Integ. and test Operation. Testing and Evaluation CSCI Testing [Franke 91]

嵌入式软件的开发过程（瀑布模型） Requirement Analysis Software Design Coding Testing Release

软硬件协同设计的基本需求 n n 统一的软硬件描述方式 n 软硬件支持统一的设计和分析具（技术） n 允许在一个集成环境中仿真（评估）系统软硬件设计 n 支持系统任务在软件和硬件设计之间的相互移植交互式软硬件划分技术 n 允许多个不同的软硬件划分设计进行仿真和比较 n 辅助最优系统实现方式决策 n 将软硬件划分应用到模块设计，以便最佳地实现系统的设计指标。Partitioning applied to modules to best meet design criteria (功能和性能目标)

软硬件协同设计的基本需求 (续) n 完整的软硬件模型基础 n n n 支持在设计过程中的几个阶段的综合评价支持软硬件逐步的开发和集成正确的验证方法 n 确保系统设计达到的目标要求

典型的软硬件协同设计过程 Another HW/SW partition Concurrent processes Programming languages HW/SW Partitioning FSMdirected graphs System Description (Functional) Unified representation (Data/control flow) SW Software Synthesis HW Interface Synthesis System Integration Hardware Synthesis Instruction set level HW/SW evaluation

经典的软硬件协同设计方法 Analysis of Constraints and Requirements System Specs. . HW/SW Partitioning Hardware Descript. HW Synth. and Configuration Modules Software Descript. Interface Synthesis Hardware Components Software Gen. & Parameterization HW/SW Interfaces Software Modules HW/SW Integration and Cosimulation Integrated System Evaluation © IEEE 1994 Design Verification [Rozenblit 94]

软硬件协同设计的优势 n n 在设计初始阶段就可进行软硬件交互设计和调整 n Provides continual verification throughout the design cycle（贯穿整个设计周期） n Separate HW/SW development paths（开发路线） can lead to costly modifications and schedule slippages（导致代价昂贵的纠错成本和开发进度的下降）关键技术（如可编程逻辑综合技术、器件接口和功能模型描述）的进步使得软硬件交互设计变得简单起来

软硬件协同设计技术的现状 n 主要问题: n n n 缺乏标准化的表示方法缺乏好的验证和评价方法可能的解决方案: n 扩展已有的硬件/软件语言具并应用到不同种类情况 n 扩展形式验证技术并应用到硬件/软件领域 n 基于FPGA的嵌入式系统设计－－SOPC设计

软硬件协同设计基本步骤 HW-SW system involves n Specification（设计描述） n modeling （设计建模） n design space exploration and partitioning n synthesis and optimization（综合与优化） n Validation（设计验证） n implementation （设计实现）

软硬件协同设计基本步骤 Specification（设计描述） n List the functions of a system that describe the behavior of an abstraction clearly with out ambiguity. Modeling（设计建模） n Process of conceptualizing and refining the specifications, and producing a hardware and software model.

软硬件协同设计基本步骤 Validation: Process of achieving a reasonable level of confidence（置信度） that the system will work as designed. n Takes different flavors per application domain（根据应用领域而不同）: cosimulation for performance and correctness（性能与功能的协同仿真）

软硬件协同设计基本步骤 Implementation: n Physical realization of the hardware (through synthesis) n and of executable software (through compilation).

协同设计中的软硬件划分与调度 (where and when) n n A hardware/software partitioning represents a physical partition of system functionality into application-specific hardware and software. Scheduling is to assign an execution start time to each task in a set, where tasks are linked by some relations.

嵌入式系统的节能设计（硬件节能、软件节能）

嵌入式系统的节能设计 n n 节能计算成为嵌入式系统设计、系统软件重点考虑的基本方面：节能计算包括： n 硬件体系结构支持 n n n 在小巧外形尺寸下，如何实现所需电源性能的艺和技术热管理、降噪、电池管理和功能整合软件支持 n n n 节能编译操作系统节能策略

现状 n n 电源管理策略面向PC、笔记本电脑、服务器、通信设备的刀片服务器 n n n APM：高级电源管理方案 ACPI：高级配置和电源接口根据嵌入式系统模型定制节能技术非常缺乏，甚至在某些方面是空白

手持设备电源管理 n 电池寿命不等同于电源管理的成效 n n 性能、多媒体系统、数码摄像新增功能增加系统的耗电量缩短电池寿命影响因素 n n CPU 功能系统软件中间件管理策略

传统手持设备管理策略 n n n 处理器时钟变慢操作系统转入待机、睡眠状态动态电源管理 (DPM) n n n 调整内核电压和频率高性能存储器彩色显示器无线接口固化为通用电源管理IC

软件节能策略 n n 预测什么时候设备的未来使用状况或者使用率 “time-out”策略预测特定的时间长度基于GSPN网络和HMM的技术 Montavista n n 基于linux 通用性强，但是嵌入式系统定制性强，效果不佳

能耗测试 n 测试出每条指令的能耗，估计测试程序运行完的总能耗 n 测试出每个函数的能耗，然后利用这些函数作为标准去估计其他函数运行的能耗

节能操作系统 n 目的 n n n CPU 电压和频率调节会给实时性能带来了严峻挑战 n n 可能造成不稳定 “重新锁定”锁相环路和其它动态时钟机制需要时间，造成了很长的等待时间（有时是毫秒级别）锁定期间 CPU 既不能执行计算操作，又不能响应外部事件（中断）每一软件 n n 保证操作系统实时性的前提下，完成能耗计算调度算法的节能优化中断处理优化低功耗文件系统相应的手机最低电压 CPU频率相应设备通过动态的调节CPU的内核频率与内核电压，以及动态的关闭系统的某些设备和调整某些设备的状态

外设驱动 n n 针对不同功能部件的能耗，进行合理的功耗优化从电池开始，严格和精确地电量测量根据外设特征研究不同的电源管理策略下的驱动现有情况 n n 硬件产品有几种状态定义状态提供不同的服务质量和消耗的能量提供各种状态之间的转换接口算法目标 n n 实现状态转换的节能策略减少待机能耗人智能技术的应用通过软件来动态的预测和控制某些部件的开关

节能通讯协议栈 n 连接干预 n 节能的传输调度算法 n n n 缓冲区技术局部性原理与预取低功耗压缩算法

节能编译 n 对每条指令的能耗进行测试 n 对函数编译结果的能耗进行估计 n 错误处理代码的能耗设计 n 基于ICE进行函数执行代码统计

嵌入式系统 嵌入式系统设计方法 2006年 4月21日 主要内容 n

嵌入式系统嵌入式系统设计方法 2006年 4月21日主要内容 n